Les expériences lmj au service
de la dissuasion nucléaire
La simulation du fonctionnement des armes nucléaires repose sur la modélisation de nombreux processus physiques, de leur couplage, et du comportement des matériaux dans des conditions extrêmes.
Pour répondre aux besoins des programmes qui lui sont confiés, la DAM valide ses outils de simulation numérique sur de très nombreuses catégories d’expériences. Ces expériences sont dimensionnées par des calculs de prévision dont les résultats sont comparés aux mesures expérimentales.
La mise en service d’un nombre croissant de faisceaux laser et de diagnostics de mesure permet de réaliser des expériences de plus en plus complexes, où plusieurs phénomènes physiques sont couplés. Les expériences les plus complexes sont celles conduisant à la fusion à gain thermonucléaire* par confinement inertiel d’un mélange deutérium-tritium dans une micro-cible (de quelques millimètres de diamètre) :
Micro-capsule comprenant quelques microgrammes de Deuterium-Tritium dans une cavité en or chauffée par des faisceaux laser. Explosion des parois d’or chauffées rayonnant vers la capsule qui implose.
Combustion du mélange fusible de la capsule et dégagement d’énergie de fusion
*fusion à gain thermonucléaire : l’énergie nucléaire dégagée par les réactions de fusion est supérieure à l’énergie laser investie pour déclencher ces réactions.
Première expérience de fusionnucléaire au Laser Mégajoule
En octobre 2019, la Direction des applications militaires du CEA a réalisé la 1ère expérience de fusion nucléaire au Laser Mégajoule. La simulation préalable, permettant de dimensionner l’expérience, nécessitait un calcul en 3 dimensions pour prendre en compte la configuration d’éclairement de la cible par les 48 faisceaux laser. Les quelques centaines de milliards de neutrons prévus par la simulation ont bien été mesurés dans l’expérience. La réussite de cette expérience complexe repose sur la qualité des outils de simulation et la performance de l’installation laser Mégajoule, mais aussi sur la compétence des physiciens, ingénieurs et techniciens qui les mettent en œuvre. Elle marque le franchissement d’un jalon majeur du programme Simulation pour la garantie des armes nucléaires françaises.
Mise en œuvre des expériences
Validation des modèles physiques
≈ 3 ans
Conception d’une campagne d’expériences
• Cibles
• Configuration des mesures
• Configuration des faisceaux lasers
Utilisation des modèles physiques pour prédire les résultats.
Fabrication des cibles.
Mise en configuration de l’installation.
Réalisation de la campagne d’expériences.
Analyse des résultats.
Comparaison avec les prédictions.
Validation des modèles physiques.
Fabrication des cibles
≈ 1 an
Développement des moyens et méthodes de fabrication. Fabrication des cibles de la campagne d’expériences.
Montage et métrologie des cibles.
Mise en configuration de l’installation et réalisation de la campagne d’expériences
≈ 2 mois
Mise en configuration des diagnostics de mesure.
Mise en œuvre et réglage des diagnostics de mesure.
Mise en œuvre et réglage des lasers.
Réalisation des expériences de la campagne.
Réalisation d’une expérience
≈ 0,5 jour
Alignement au centre de la chambre d’expériences (Faisceaux laser, appareils de mesure, cible).
Réalisation d’une expérience « à blanc » sans amplification laser.
Chargement des amplificateurs.
Déclenchement de l’expérience.
Déclenchement de l’expérience
≈ 3 μs (millionièmes de seconde)
Création et amplification des faisceaux lasers.
Focalisation des faisceaux sur la cible.
Interaction lasers-cible.
Réalisation des mesures.
Enregistrement des mesures.
Interaction laser cible
≈ 1 ns (milliardième de seconde)
Interaction laser matière.
Création de plasma.
Emission rayonnements et particules.
Cibles et mesures
Les cibles
La cible est un microsystème de taille millimétrique, conçu pour permettre, après avoir reçu l’énergie du LMJ, de reproduire en laboratoire un phénomène de même nature que celui intervenant dans les armes. Dans la cible, la matière est « chauffée » par les faisceaux laser et peut être portée, en quelques milliardièmes de seconde à :
• des températures pouvant atteindre 100 millions de degrés,
• des pressions pouvant atteindre 1 milliard de fois la pression atmosphérique,
• des densités de plusieurs centaines de fois celle du solide.
Il existe une grande variété de cibles, chacune étant définie en fonction de l’expérience que l’on souhaite réaliser. La cible est renouvelée à chaque expérience. Les cibles sont réalisées sur le centre CEA de Valduc près de Dijon où sont regroupées les technologies de pointe nécessaires à la synthèse des matériaux élémentaires, le micro usinage ultra précis, l’assemblage et la caractérisation. Le montage de l’édifice complet avec la cible et les dispositifs de positionnement est réalisée sur le centre CEA du Cesta.
Les mesures
Pour les différentes expériences envisagées, de nombreux paramètres doivent être mesurés pour être comparés à ceux que prédisent les calculs. Par exemple :
• l’énergie laser absorbée par la cible,
• la température atteinte par la cible,
• la pression générée,
• les vitesses d’implosion,
• les rayonnements et particules émises.
Des diagnostics de mesure très spécifiques sont développés et utilisés :
• imageurs de très hautes résolutions spatiales de l’ordre
de quelques 100ème de millimètre,
• détecteurs ultra-rapides de résolution temporelle approchant le centième de milliardième de seconde,
• des spectromètres ultra-précis qui mesurent les énergies des rayonnements et des particules.
Certains diagnostics sont déployés, à partir d’un sas, dans la chambre d’expériences et sont pointés très précisément sur la cible qu’ils approchent à une distance de moins d’un mètre.
